特許 6784641 発電装置、制御装置及び制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6784641

(24)【登録日】2020年10月27日

(45)【発行日】2020年11月11日

(54)【発明の名称】発電装置、制御装置及び制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20201102BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20201102BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20201102BHJP

   H01M 8/04694 20160101ALI20201102BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20201102BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04858

   H01M8/04225

   H01M8/04537

   H01M8/04694

   H01M8/12

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-88867(P2017-88867)

(22)【出願日】2017年4月27日

(65)【公開番号】特開2018-186055(P2018-186055A)

(43)【公開日】2018年11月22日

【審査請求日】2019年8月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100188307

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 昌宏

(74)【代理人】

【識別番号】100169823

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 雄郎

(72)【発明者】

【氏名】後藤 亮

(72)【発明者】

【氏名】末廣 真紀

【審査官】 加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１１５５５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、
前記出力電圧が最小制御電圧未満にならないように前記燃料電池を制御するパワーコンディショナと、
前記最小制御電圧の情報を前記パワーコンディショナに提供する制御部と、を備え、
前記最小制御電圧は、前記出力電流が増加するに従って減少する関数として表され、
前記制御部は、前記燃料電池の内部抵抗の推定値に応じて、前記パワーコンディショナに提供する前記最小制御電圧を表す関数を切り替える、発電装置。

【請求項2】

請求項１に記載の発電装置において、
前記最小制御電圧は、同一の前記出力電流の値に対し、前記内部抵抗の推定値が大きくなると小さい値となる、発電装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の発電装置において、
前記制御部は、
前記出力電圧から前記最小制御電圧を減算した値が第１電圧閾値未満の状態が所定の時間以上継続した場合は、前記内部抵抗の推定値を大きくし、
前記出力電圧から前記最小制御電圧を減算した値が第２電圧閾値より大きい状態が所定の時間以上継続した場合は、前記内部抵抗の推定値を小さくする、発電装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記最小制御電圧を表す関数は、前記出力電流が所定の閾値未満のときは前記出力電流に対する二次関数として減少し、前記出力電流が前記所定の閾値以上のときは前記出力電流に対する一次関数として減少する、発電装置。

【請求項5】

燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、前記出力電圧が最小制御電圧未満にならないように前記燃料電池を制御するパワーコンディショナと、を備える発電装置を制御する制御装置であって、
前記最小制御電圧の情報を前記パワーコンディショナに提供し、
前記最小制御電圧は、前記出力電流が増加するに従って減少する関数として表され、
前記燃料電池の内部抵抗の推定値に応じて、前記パワーコンディショナに提供する前記最小制御電圧を表す関数を切り替える、制御装置。

【請求項6】

燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、前記出力電圧が最小制御電圧未満にならないように前記燃料電池を制御するパワーコンディショナと、を備える発電装置を制御する制御装置に、
前記最小制御電圧の情報を前記パワーコンディショナに提供するステップと、
前記燃料電池の内部抵抗の推定値に応じて、前記パワーコンディショナに提供する前記最小制御電圧を表す関数を切り替えるステップと、を実行させ、
前記最小制御電圧は、前記出力電流が増加するに従って減少する関数として表される、制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、発電装置、制御装置及び制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell（以下、ＳＯＦＣと記す））のような燃料電池を備える発電装置は、発電を開始すると徐々に出力電流を増やし、発電電力を定格電力まで到達させる。

【0003】

発電開始初期は燃料電池の内部抵抗が大きいため、出力電流を急激に増やすと、出力電圧が急激に下がり、燃料電池を劣化させてしまうことがある。

【0004】

これを防ぐため、例えば特許文献１は、燃料電池の出力電圧を一定の電圧に保つ制御を行うことを提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００２−１８４４４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

燃料電池のような発電装置は、発電開始後、迅速に定格電力に到達することができることが望まれている。しかしながら、特許文献１のように燃料電池の出力電圧を一定に保つ制御を行うと、温度上昇による燃料電池の内部抵抗の減少に伴う出力電流の増加によって出力電力を増やせるだけである。この場合、内部抵抗の減少には時間がかかるため、発電装置が定格電力に到達するまでに時間がかかる。

【0007】

本開示の目的は、発電開始後に定格電力に到達するまでの時間を低減することができる発電装置、制御装置及び制御プログラムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一実施形態に係る発電装置は、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、前記出力電圧が最小制御電圧未満にならないように前記燃料電池を制御するパワーコンディショナと、前記最小制御電圧の情報を前記パワーコンディショナに提供する制御部と、を備える。前記最小制御電圧は、前記電流が増加するに従って減少する関数として表される。前記制御部は、前記燃料電池の内部抵抗の推定値に応じて、前記パワーコンディショナに提供する前記最小制御電圧を表す関数を切り替える。

【0009】

本開示の一実施形態に係る制御装置は、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、前記出力電圧が最小制御電圧未満にならないように前記燃料電池を制御するパワーコンディショナと、を備える発電装置を制御する。また、前記制御装置は、前記最小制御電圧の情報を前記パワーコンディショナに提供する。前記最小制御電圧は、前記電流が増加するに従って減少する関数として表される。前記制御装置は、前記燃料電池の内部抵抗の推定値に応じて、前記パワーコンディショナに提供する前記最小制御電圧を表す関数を切り替える。

【0010】

本開示の一実施形態に係る制御プログラムは、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、前記出力電圧が最小制御電圧未満にならないように前記燃料電池を制御するパワーコンディショナと、を備える発電装置を制御する制御装置に、前記最小制御電圧の情報を前記パワーコンディショナに提供するステップと、前記燃料電池の内部抵抗の推定値に応じて、前記パワーコンディショナに提供する前記最小制御電圧を表す関数を切り替えるステップと、を実行させる。前記最小制御電圧は、前記電流が増加するに従って減少する関数として表される。

【発明の効果】

【0011】

本開示の一実施形態に係る発電装置、制御装置及び制御プログラムによれば、発電開始後に定格電力に到達するまでの時間を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本開示の実施形態に係る発電装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。

【図2】最小制御電圧の一例を示す図である。

【図3】図１のパワーコンディショナが燃料電池モジュールの出力電圧を制御する様子の一例を示す図である。

【図4】内部抵抗の推定値に応じた最小制御電圧の例を示す図である。

【図5】最小制御電圧と、燃料電池モジュールの出力の電流・電圧特性とを示す図である。

【図6】本開示の実施形態に係る発電装置の動作を示すフローチャートである。

【図7】本開示の実施形態に係る発電装置の構成の変形例を概略的に示す機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。まず、本開示の実施形態に係る発電装置の構成を説明する。

【0014】

図１は、本開示の実施形態に係る発電装置１の構成を概略的に示す機能ブロック図である。

【0015】

図１に示すように、本開示の実施形態に係る発電装置１は、貯湯タンク６０と、負荷１００と、商用電源（grid）２００に接続される。また、図１に示すように、発電装置１は、外部からガス及び空気が供給されることにより発電し、発電した電力を負荷１００等に供給する。

【0016】

図１に示すように、発電装置１は、制御部１０と、記憶部１２と、燃料電池モジュール２０と、供給部３０と、パワーコンディショナ４０と、排熱回収処理部５０と、循環水処理部５２と、電流センサ７０と、電圧センサ８０とを備える。

【0017】

発電装置１は、以下にさらに詳細に述べられるように、種々の機能を実行するための制御及び処理能力を提供するために、制御部１０として少なくとも１つのプロセッサを含む。種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサは、単一の集積回路（ＩＣ）として、又は複数の通信可能に接続された集積回路ＩＣ及び／又はディスクリート回路（discrete circuits）として実現されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、種々の既知の技術に従って実現されることが可能である。

【0018】

ある実施形態において、プロセッサは、１以上のデータ計算手続又は処理を実行するために構成された、１以上の回路又はユニットを含む。例えば、プロセッサは、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又はこれらのデバイス若しくは構成の任意の組み合わせ、又は他の既知のデバイス若しくは構成の組み合わせを含むことにより、以下に説明する機能を実行してもよい。

【0019】

制御部１０は、記憶部１２と、燃料電池モジュール２０と、供給部３０と、パワーコンディショナ４０とに接続され、これらの各機能部をはじめとして発電装置１の全体を制御及び管理する。制御部１０は、記憶部１２に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、発電装置１の各部に係る種々の機能を実現する。制御部１０から他の機能部に制御信号又は各種の情報などを送信する場合、制御部１０と他の機能部とは、有線又は無線により接続されていればよい。制御部１０が行う本実施形態に特徴的な制御については、さらに後述する。

【0020】

記憶部１２は、制御部１０から取得した情報を記憶する。また記憶部１２は、制御部１０によって実行されるプログラム等を記憶する。その他、記憶部１２は、例えば制御部１０による演算結果などの各種データも記憶する。さらに、記憶部１２は、制御部１０が動作する際のワークメモリ等も含むことができるものとして、以下説明する。記憶部１２は、例えば半導体メモリ又は磁気ディスク等により構成することができるが、これらに限定されず、任意の記憶装置とすることができる。例えば、記憶部１２は、光ディスクのような光学記憶装置としてもよいし、光磁気ディスクなどとしてもよい。

【0021】

燃料電池モジュール２０は、改質器２２と、セルスタック２４とを備えている。燃料電池モジュール２０のセルスタック２４は、供給部３０から供給されるガス（燃料ガス）などを用いて発電し、発電した直流電力をパワーコンディショナ４０に出力する。燃料電池モジュール２０は、ホットモジュールとも呼ばれる。燃料電池モジュール２０において、セルスタック２４は、発電に伴い発熱する。本開示において、実際に発電を行うセルスタック２４を、適宜、「燃料電池」と記す。また、本開示において、セルスタック２４を含めた任意の機能部も、適宜、「燃料電池」と総称することがある。例えば、「燃料電池」としては、他に、単体のセル、又は燃料電池モジュールなどが挙げられる。

【0022】

燃料電池モジュール２０の出力部の内部抵抗は、燃料電池モジュール２０の起動時は大きく、燃料電池モジュール２０の温度が上昇するとともに小さくなる。また、燃料電池モジュール２０の出力部の内部抵抗は、セルスタック２４の経年劣化により大きくなる。

【0023】

改質器２２は、供給部３０から供給されるガス及び改質水を用いて、水素及び／又は一酸化炭素を生成する。セルスタック２４は、改質器２２で生成された水素及び／又は一酸化炭素と、空気中の酸素とを反応させることにより、発電する。すなわち、本実施形態において、燃料電池のセルスタック２４は、電気化学反応により発電する。なお、改質器２２としては、前述の水蒸気改質を行う改質器を例示しているが、他の改質器として、酸素を含む空気等を用いて水素を生成する部分酸化改質（Partial Oxidation（ＰＯＸ））を行う改質器等であってもよい。

【0024】

以下、セルスタック２４は、ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）であるとして説明する。しかしながら、本実施形態に係るセルスタック２４はＳＯＦＣに限定されない。本実施形態に係るセルスタック２４は、例えば固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell（ＰＥＦＣ））、りん酸形燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell（ＰＡＦＣ））、及び溶融炭酸塩形燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell（ＭＣＦＣ））などのような燃料電池で構成してもよい。また、本実施形態において、セルスタック２４は、例えば単体で７００Ｗ程度の発電ができるものを４つ備えてもよい。この場合、燃料電池モジュール２０は、全体として３ｋＷ程度の電力を出力することができる。しかしながら、本実施形態に係るセルスタック２４及び燃料電池モジュール２０は、このような構成に限定されるものではなく、種々の構成を採用することができる。例えば、本実施形態に係る燃料電池モジュール２０は、セルスタック２４を１つのみ備えるようにしてもよい。本実施形態において、発電装置１は、ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えていればよい。したがって、例えば、発電装置１は、燃料電池として、セルスタック２４ではなく、単に燃料電池セル１つのみを備えるものも想定できる。また、本実施形態に係る燃料電池は、例えばＰＥＦＣのように、モジュールのない燃料電池としてもよい。

【0025】

供給部３０は、ガス供給部３２と、空気供給部３４と、改質水供給部３６とを備える。すなわち、供給部３０は、セルスタック２４にガス、空気、及び改質水を供給する。

【0026】

ガス供給部３２は、燃料電池モジュール２０にガスを供給する。このとき、ガス供給部３２は、制御部１０からの制御信号に基づいて、燃料電池モジュール２０に供給するガスの量を制御する。本実施形態において、ガス供給部３２は、例えばガスラインによって構成することができる。またガス供給部３２は、ガスの脱硫処理を行ってもよいし、ガスを予備的に加熱してもよい。ガスを加熱する熱源として、セルスタック２４の排熱が利用されてもよい。ガスは、例えば、都市ガス、又はＬＰＧ等であるが、これらに限定されない。例えば、ガスは、燃料電池に応じて、天然ガス又は石炭ガスなどとしてもよい。本実施形態において、ガス供給部３２は、セルスタック２４が発電する際の電気化学反応に用いられる燃料ガスを供給する。

【0027】

空気供給部３４は、燃料電池モジュール２０に空気を供給する。このとき、空気供給部３４は、制御部１０からの制御信号に基づいて、燃料電池モジュール２０に供給する空気の量を制御する。本実施形態において、空気供給部３４は、例えば空気ラインによって構成することができる。また空気供給部３４は、外部から取り込んだ空気を予備的に加熱して、燃料電池モジュール２０に供給してもよい。空気を加熱する熱源として、セルスタック２４の排熱が利用されてもよい。本実施形態において、空気供給部３４は、セルスタック２４が発電する際の電気化学反応に用いられる空気を供給する。

【0028】

改質水供給部３６は、水蒸気を生成して燃料電池モジュール２０に供給する。このとき、改質水供給部３６は、制御部１０からの制御信号に基づいて、燃料電池モジュール２０に供給する水蒸気の量を制御する。本実施形態において、改質水供給部３６は、例えば改質水ラインによって構成することができる。改質水供給部３６は、セルスタック２４の排気から回収された水を原料として水蒸気を生成してもよい。水蒸気を生成する熱源として、セルスタック２４の排熱が利用されてもよい。

【0029】

パワーコンディショナ４０は、燃料電池モジュール２０に接続される。パワーコンディショナ４０は、セルスタック２４が発電した直流電力を、交流電力に変換する。パワーコンディショナ４０から出力される交流電力は、分電盤などを介して、負荷１００に供給される。負荷１００は、分電盤などを介して、パワーコンディショナ４０から出力された電力を受電する。図１において、負荷１００は、１つのみの部材として図示してあるが、負荷を構成する任意の個数の各種電気機器とすることができる。また、負荷１００は、分電盤などを介して、商用電源２００から受電することもできる。

【0030】

パワーコンディショナ４０は、制御部１０からの制御信号に基づいて、燃料電池モジュール２０の出力電圧が最小制御電圧未満にならないように、燃料電池モジュール２０を制御する。ここで、「最小制御電圧」は、セルスタック２４が電圧低下によって劣化することを抑制するために設定されている電圧値である。最小制御電圧の情報は、制御部１０によってパワーコンディショナ４０に提供される。

【0031】

排熱回収処理部５０は、セルスタック２４の発電により生じる排気から排熱を回収する。排熱回収処理部５０は、例えば熱交換器等で構成することができる。排熱回収処理部５０は、循環水処理部５２及び貯湯タンク６０に接続される。

【0032】

循環水処理部５２は、貯湯タンク６０から排熱回収処理部５０へ水を循環させる。排熱回収処理部５０に供給された水は、排熱回収処理部５０で回収された排熱によって加熱され、貯湯タンク６０に戻る。排熱回収処理部５０は、排熱を回収した排気を外部に排出する。また、上述のように、排熱回収処理部５０で回収された熱は、ガス、空気、又は改質水の加熱などに用いることができる。

【0033】

貯湯タンク６０は、排熱回収処理部５０及び循環水処理部５２に接続される。貯湯タンク６０は、燃料電池モジュール２０のセルスタック２４などから回収された排熱を利用して生成された湯を、貯えることができる。

【0034】

電流センサ７０は、セルスタック２４がパワーコンディショナ４０に出力する電流を検出する。電流センサ７０は、例えばＣＴ（Current Transformer）などにより構成することができる。しかしながら、電流センサ７０は、ＣＴに限定されず、電流を測定できる部材であれば、任意のものを採用することができる。例えば、電流センサ７０は、ホール素子方式、ロゴスキー方式、又はゼロフラックス方式など原理に基づくものとしてもよい。電流センサ７０は、制御部１０に接続される。電流センサ７０は、検出した電流に基づく信号を制御部１０に送信する。この信号を受信することで、制御部１０は、セルスタック２４の出力電流を把握することができる。電流センサ７０は、パワーコンディショナ４０の内部に設けられていてもよい。

【0035】

電圧センサ８０は、セルスタック２４がパワーコンディショナ４０に出力する電圧を検出する。電圧センサ８０は、制御部１０に接続される。電圧センサ８０は、検出した電圧に基づく信号を制御部１０に送信する。この信号を受信することで、制御部１０は、セルスタック２４の出力電圧を把握することができる。電圧センサ８０は、パワーコンディショナ４０の内部に設けられていてもよい。

【0036】

次に、制御部１０の動作について説明する。

【0037】

制御部１０は、最小制御電圧の情報を制御信号によってパワーコンディショナ４０に提供（出力）する。パワーコンディショナ４０は、制御部１０から最小制御電圧の情報を受け取ると、燃料電池モジュール２０の出力電圧が最小制御電圧未満にならないように、燃料電池モジュール２０を制御する。

【0038】

制御部１０は、電流センサ７０から取得した燃料電池モジュール２０の出力電流の情報をパワーコンディショナ４０に提供する。制御部１０は、電圧センサ８０から取得した燃料電池モジュール２０の出力電圧の情報をパワーコンディショナ４０に提供する。パワーコンディショナ４０は、燃料電池モジュール２０の出力電流の情報を、電流センサ７０から直接取得してもよい。パワーコンディショナ４０は、燃料電池モジュール２０の出力電圧の情報を、電圧センサ８０から直接取得してもよい。

【0039】

図２に、最小制御電圧の一例を示す。図２に示すグラフは、横軸が燃料電池モジュール２０の出力電流であり、縦軸が最小制御電圧である。図２に示すように、最小制御電圧は、燃料電池モジュール２０の出力電流に依存して値が変わる。図２に示すように、最小制御電圧は、燃料電池モジュール２０の出力電流が増加するに従って減少する関数として表すことができる。また、前記関数は、燃料電池モジュール２０の出力電流が増加するに従って単調に減少するようにしてもよい。

【0040】

また、図２に示すように、最小制御電圧は、出力電流が所定の閾値であるＩｔ未満のときは、出力電流に対する二次関数として減少し、出力電流が所定の閾値であるＩｔ以上のときは、出力電流に対する一次関数として減少するようにしてもよい。

【0041】

図３に、発電装置１の発電開始時において、パワーコンディショナ４０が、制御部１０から取得した最小制御電圧に従って、燃料電池モジュール２０の出力電圧を制御する様子の一例を示す。

【0042】

図３において、符号１１０は、最小制御電圧を示す。符号１２１は、発電装置１の発電開始から時間ｔ１が経過した時点における燃料電池モジュール２０の出力の電流・電圧特性を示す。符号１２２は、発電装置１の発電開始から時間ｔ２が経過した時点における燃料電池モジュール２０の出力の電流・電圧特性を示す。符号１２３は、発電装置１の発電開始から時間ｔ３が経過した時点における燃料電池モジュール２０の出力の電流・電圧特性を示す。時間ｔ１、ｔ２、ｔ３の関係は、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３であるとする。

【0043】

燃料電池モジュール２０は、発電を開始すると徐々に温度が上昇するため、図３に示すように、時間がｔ１、ｔ２、ｔ３と経過するに従って、内部抵抗が小さくなっていく。すなわち、電流・電圧特性の傾きが小さくなっていく。

【0044】

パワーコンディショナ４０は、発電装置１が発電を開始すると、例えば定格電力のようなターゲットとなる発電電力まで発電装置１の出力電力を増加させるため、燃料電池モジュール２０の出力電流を徐々に増加させる。

【0045】

発電開始から時間ｔ１が経過した時点での燃料電池モジュール２０の電流・電圧特性は、図３に示す電流・電圧特性１２１であるため、出力電流を電流Ｉ１まで増加させた時点で、燃料電池モジュール２０の出力電圧は最小制御電圧と等しくなる。そのため、パワーコンディショナ４０は、それ以上出力電流を増やさないように、燃料電池モジュール２０を制御する。

【0046】

その後、発電開始から時間ｔ２が経過すると、燃料電池モジュール２０の内部抵抗の減少に伴って、燃料電池モジュール２０の電流・電圧特性が、図３に示す電流・電圧特性１２２になる。この時点で、パワーコンディショナ４０は、燃料電池モジュール２０の出力電流をＩ２まで増やすように、燃料電池モジュール２０を制御する。

【0047】

また、その後、発電開始から時間ｔ３が経過すると、燃料電池モジュール２０の内部抵抗の更なる減少に伴って、燃料電池モジュール２０の電流・電圧特性が、図３に示す電流・電圧特性１２３になる。この時点で、パワーコンディショナ４０は、燃料電池モジュール２０の出力電流をＩ３まで増やすように、燃料電池モジュール２０を制御する。

【0048】

このように、パワーコンディショナ４０は、燃料電池モジュール２０の出力電圧が最小制御電圧未満にならないように、燃料電池モジュール２０を制御する。これにより、電圧低下に起因するセルスタック２４の劣化を抑制することができる。また、最小制御電圧は、一定値ではなく、燃料電池モジュール２０の出力電流が増加するに従って減少する関数として表すことができる。これにより、パワーコンディショナ４０は、燃料電池モジュール２０の内部抵抗が減少し、燃料電池モジュール２０の出力電流が増加するとともに、発電電力を迅速に増加させることができる。したがって、本実施形態によれば、発電装置１は、セルスタック２４の劣化を抑制しつつ、発電開始後に定格電力に到達するまでの時間を低減することができる。

【0049】

［内部抵抗の推定］
制御部１０は、燃料電池モジュール２０の内部抵抗を推定し、内部抵抗の推定値に応じて、パワーコンディショナ４０に提供する最小制御電圧を切り替えてもよい。これは、経年劣化などに起因して燃料電池モジュール２０の内部抵抗が大きくなっていくことに対応するための動作である。

【0050】

図４に、燃料電池モジュール２０の内部抵抗の推定値に応じた最小制御電圧の例を示す。図４においては、内部抵抗の推定値が６．８オーム、７．９オーム、９オーム、１０．１オーム、及び１１．２オームの場合の、最小制御電圧の例を示している。図４に示すように、同一の出力電流の値に対しては、内部抵抗の推定値が大きくなるに従って、最小制御電圧は小さくなる。図４に示すような燃料電池モジュール２０の内部抵抗の推定値に応じた最小制御電圧は、記憶部１２が記憶している。

【0051】

なお、図４に示している内部抵抗の推定値は、発電装置１の発電開始から十分な時間が経過し、発電が安定して燃料電池モジュール２０の内部抵抗が十分下がった状態における内部抵抗の推定値である。

【0052】

内部抵抗の推定値に応じた最小制御電圧が選択されていると、燃料電池モジュール２０の実際の内部抵抗が内部抵抗の推定値に等しい場合、発電開始から十分な時間が経過し、発電が安定している状態では、燃料電池モジュール２０の出力電力は、最小制御電圧を下回らない。

【0053】

図５に、燃料電池モジュール２０の内部抵抗の推定値が６．８オームのときの最小制御電圧１３１と、燃料電池モジュール２０の内部抵抗が６．８オームのときの電流・電圧特性１３２とを示す。

【0054】

図５に示すように、発電開始から十分な時間が経過し、発電が安定している状態において、燃料電池モジュール２０の実際の内部抵抗が６．８オームである場合、電流・電圧特性１３２は、燃料電池モジュール２０の内部抵抗の推定値が６．８オームのときの最小制御電圧１３１を下回らない。

【0055】

制御部１０は、発電開始から十分な時間が経過し、発電が安定している状態において、燃料電池モジュール２０の出力電圧と、そのときの燃料電池モジュール２０の出力電流における最小制御電圧とを比較する。制御部１０は、出力電圧と最小制御電圧との関係が、
出力電圧―最小制御電圧＜第１電圧閾値
との関係を満たす状態が、所定の時間以上継続した場合、内部抵抗は、現状の推定値より大きいと判定する。制御部１０は、内部抵抗が現状の推定値より大きいと判定すると、現状の推定値よりも所定の値だけ大きい推定値の内部抵抗に応じた最小制御電圧を、パワーコンディショナ４０に提供する。パワーコンディショナ４０は、制御部１０から新たに取得した最小制御電圧未満にならないように、燃料電池モジュール２０の出力電圧を制御する。

【0056】

このように、制御部１０は、燃料電池モジュール２０の出力電圧から最小制御電圧を減算した値が第１電圧閾値未満の状態が所定の時間以上継続した場合は、内部抵抗の推定値を大きくする。これにより、発電装置１は、経年劣化によって燃料電池モジュール２０の内部抵抗が大きくなった場合に、最小制御電圧の条件を緩和することで、発電装置１が発電開始後に定格電力に到達するまでの時間を低減することができる。

【0057】

制御部１０は、発電開始から十分な時間が経過し、発電が安定している状態において、燃料電池モジュール２０の出力電圧と、そのときの燃料電池モジュール２０の出力電流における最小制御電圧とを比較する。制御部１０は、出力電圧と最小制御電圧との関係が、
出力電圧―最小制御電圧＞第２電圧閾値
との関係を満たす状態が、所定の時間以上継続した場合、内部抵抗は、現状の推定値より小さいと判定する。制御部１０は、内部抵抗が現状の推定値より小さいと判定すると、現状の推定値よりも所定の値だけ小さい推定値の内部抵抗に応じた最小制御電圧を、パワーコンディショナ４０に提供する。パワーコンディショナ４０は、制御部１０から新たに取得した最小制御電圧未満にならないように、燃料電池モジュール２０の出力電圧を制御する。

【0058】

続いて、本実施形態に係る発電装置１が内部抵抗を推定する動作について図６のフローチャートを参照して説明する。発電装置１は、最初の起動時には、内部抵抗の推定値の初期値を有しているものとする。

【0059】

発電装置１の制御部１０は、発電装置１の起動後、発電装置１の発電が安定した状態になったか否かを判定する（ステップＳ１０１）。例えば、制御部１０は、発電装置１の起動から所定の時間以上が経過したか否かで発電が安定した状態になったか否かを判定してよい。また、例えば、制御部１０は、燃料電池モジュール２０の出力電力が定格電力に達したか否かで発電が安定した状態になったか否かを判定してよい。

【0060】

発電装置１の発電が安定した状態になっていない場合（ステップＳ１０１のＮｏ）、制御部１０は、ステップＳ１０１の判定を繰り返す。

【0061】

発電装置１の発電が安定した状態になっている場合（ステップＳ１０１のＹｅｓ）、制御部１０は、燃料電池モジュール２０の出力電圧と、そのときの燃料電池モジュール２０の出力電流における最小制御電圧とを比較する。制御部１０は、出力電圧と最小制御電圧との関係が、
出力電圧―最小制御電圧＜第１電圧閾値
との関係を満たす状態が、所定の時間以上継続しているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

【0062】

ステップＳ１０２においてＹｅｓと判定した場合、制御部１０は、内部抵抗の推定値を大きくする。すなわち、制御部１０は、現状の推定値よりも所定の値だけ大きい推定値の内部抵抗に応じた最小制御電圧を、パワーコンディショナ４０に提供する（ステップＳ１０３）。

【0063】

ステップＳ１０２においてＮｏと判定した場合、制御部１０は、燃料電池モジュール２０の出力電圧と、そのときの燃料電池モジュール２０の出力電流における最小制御電圧とを比較する。制御部１０は、出力電圧と最小制御電圧との関係が、
出力電圧―最小制御電圧＞第２電圧閾値
との関係を満たす状態が、所定の時間以上継続しているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。

【0064】

ステップＳ１０４においてＹｅｓと判定した場合、制御部１０は、内部抵抗の推定値を小さくする。すなわち、制御部１０は、現状の推定値よりも所定の値だけ小さい推定値の内部抵抗に応じた最小制御電圧を、パワーコンディショナ４０に提供する（ステップＳ１０５）。

【0065】

ステップＳ１０４においてＮｏと判定した場合、制御部１０は、内部抵抗の推定値を変更しない。

【0066】

制御部１０は、発電が安定している状態において、定期的に、ステップＳ１０２〜ステップＳ１０５の処理を実行してもよい。

【0067】

［制御装置を外部に有する構成］
本開示の実施形態は、図１に示す発電装置１の制御部１０及び記憶部１２に相当する機能ブロックを、発電装置１の外部に有する構成として実現することもできる。このような実施形態の一例を図７に示す。図７に示す例においては、発電装置１を外部から制御する制御装置２は、制御部１０と、記憶部１２とを備える。図７に示す制御装置２の制御部１０及び記憶部１２の機能は、図１に示す発電装置１の制御部１０及び記憶部１２の機能とそれぞれ同等である。

【0068】

また、本開示の実施形態は、例えば、図７に示す制御装置２に実行させる制御プログラムとして実現することもできる。

【0069】

本発明を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形及び修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の機能部及びステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本発明の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。

【0070】

以上の開示においては、本実施形態として、ＳＯＦＣとするセルスタック２４を備える発電装置１について説明した。しかしながら、上述したように、本実施形態に係る発電装置１は、ＳＯＦＣを備えるものに限定されず、例えばモジュールのないＰＥＦＣなど、各種の燃料電池を備えるものとすることができる。本開示において「燃料電池」とは、例えば発電システム、発電ユニット、燃料電池モジュール、ホットモジュール、セルスタック、又はセルなどを意味する。

【符号の説明】

【0071】

１ 発電装置
２ 制御装置
１０ 制御部
１２ 記憶部
２０ 燃料電池モジュール
２２ 改質器
２４ セルスタック
３０ 供給部
３２ ガス供給部
３４ 空気供給部
３６ 改質水供給部
４０ パワーコンディショナ
５０ 排熱回収処理部
５２ 循環水処理部
６０ 貯湯タンク
７０ 電流センサ
８０ 電圧センサ
１００ 負荷
２００ 商用電源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】